Báo cáo đề tài thiết kế mạch dao động Colpiits với tần số dao động 5KHz

LỜI NÓI ĐẦU Ngày sống người phát triển, ứng dụng nhằm đáp ứng nhu cầu đời sống ngày phong phú Mức sống nâng cao, nhu cầu thỏa mãn nhiều Con người tìm cách làm thư giãn với sản phẩm công nghệ Các thiết bị điện tử có chổ đứng quang trọng đời sống, đem đến phương tiện giải trí hay sản phẩm đa năng, đa dịch vụ, tương tác với người Một phần thiếu hầu hết sản phẩm điện tử mạch dao động Các mạch tạo dao động điều hòa thường dùng hệ thống thông tin, máy đo, máy kiểm tra, thiết bị y tế, v.v Đề tài nhằm nghiên cứu, trình bày vấn đề tạo dao động, điều kiện đặc điểm mạch tạo dao động, ổn định biên độ tần tần số dao động, phương pháp tính toán mạch dao động ba điểm điện dung Trình bày, mô mạch tạo dao động ba điểm điện dung (colpitts) phần mềm Proteus Đề tài chia làm ba chương: • • • • Chương I: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Chương II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG Chương III: MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS Chương IV: THIẾT KẾ MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS VỚI TẦN SỐ DAO ĐỘNG 5KHZ Trong trình làm chuyên đề nhiều sai sót mong đóng góp ý kiến bạn thầy cô giáo để báo cáo hoàn chỉnh Nhóm chân thành cảm ơn! Bắc Ninh, ngày 27 tháng năm 2016 NỘI DUNG TÌM HIỂU CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM Trần Văn Đức : Tìm hiểu nội dung Chương III: Mạch dao động Colpitts soạn báo cáo Lê Văn Lâm: Tìm hiểu nội dung Chương II: Lý thuyết chung mạch dao động Nguyễn Thanh Hà: Tìm hiểu nội dung Chương I: Mục đích, yêu cầu, phương pháp thực đề tài Phan Đã Trọng: Tìm hiểu nội dung Chương II: Lý thuyết chung mạch dao động Phạm Viết Trường: Tìm hiểu nội dung Chương IV: Thiết kế mạch dao động Colppit dao động với tần số 5KHz mô Proteus MỤC LỤC CHƯƠNG I: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Mục đích - Khảo sát lại lý thuyết mạch tạo dao động tạo sóng sin tần số cao thực hành lắp ráp mạch điện tử Qua giúp củng cố kiến thức lý thuyết nâng cao kỹ thực hành, tích lũy thêm kinh nghiệm cho thân, khả làm việc nhóm để phục vụ cho trình học tập công tác sau Giúp học viên hiểu mạch tạo dao động ứng dụng thực tế sống Kết cuối thiết kế mạch tạo dao động Colpits với tần số KHz - Yêu cầu - Kiểm tra kiến thức lý thuyết có với thức tế hay không Nắm bắt cách vận hành, vận dụng kiến thức học, biết cách làm, cách thực đề tài, chuyên đề mà giáo viên giao cho nhóm thực Sử dụng thành thạo công cụ thiết kế mạng, phần mềm mô mạch điện Proteus Tính toán thông số kỹ thuật theo yêu cầu nội dụng đề tài Biết cách thiết kế mạch tạo dao động nói chung mạch tạo dao động Colpits (mạch dao động ba điểm điện dung) nói riêng - - - - - Sau thực đề tài phải thực mạch mô phần mềm proteus, xuất mạch in layout, phải nắm vững kiến thức mạch điện tử Phải bố trí linh kiện cho hợp lý để đường mạch không bị giao mạch in Hoàn chỉnh, hoàn thành báo cáo theo yêu cầu giáo viên Biết cách tổ chức nhóm, phân công nhiệm vụ cho người thực để hoàn thành báo cáo Phương pháp thực Thực hành cách tốt để kiểm tra lại lý thuyết Ngày với hỗ trợ mạnh mẽ phần mềm mô tín hiệu vẽ mạch in, việc khảo sát mạch điện tử từ đến phức tạp tiết kiệm thời gian chi phí Báo cáo trình bày thiết kế mạch tạo dao động điểm điện dung Colpits với công cụ phần mềm mô Proteus CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG Phân tích Mạch dao động tạo dao động có dạng khác dao động hình sin ( dao động điều hòa ), tao xung chữ nhật, tạo xung tam giác, xung cưa xung riêng biệt Trong phần ta xét mạch tạo dao động điều hòa, mạch tạo dao động xung xét đến giáo trình “kỹ thuật xung” Các mạch tạo dao động điều hòa làm việc dải tần từ vài Hz đến hàng nghìn MHz Để tạo dao động dùng phần tử tích cực đèn điện tử, Transistor lưỡng cực, Fet, mạch khuếch đại thuật toán phần tử đặc biệt Điot Tunel, Điot Gunn Các đèn điện tử dùng yêu cầu công suất lớn Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử làm việc từ phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số cao Ở tần số thấp trung bình thường dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động, tần số cao dùng Transistor lưỡng cực Fet loại điot đặc biệt nêu Cần lưu ý răng, dùng mạch khuếch tạo dao động thi không cần dùng mạch bù tần số, mạch bù tần số làm giảm dải tần công tắc tạo dao động Các tham số mạch tạo dao dộng gồm tần số ra, biên độ điện áp, độ ổn định tần số ( nằm khoảng 10 -2 đến 10-6 ), công suất hiệu suất Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, thiết kế thiết kế đặc biệt quan tâm đến vài tham số hạ thấp yêu cầu tham số khác, nghĩa tùy thuộc yêu cầu sử dụng mà cân nhắc xác định tham số cách hợp lí Có thể tạo dao dộng điều hòa theo hai nguyên tắc sau đây: - Tạo dao động hồi tiếp dương Tạo dao động phương pháp tổng hợp mạch Ở ta nghiên cứu mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp dương Lập sơ đồ khối 2.1 Điều kiện dao động đặc điểm mạch tạo dao động Để xét nguyên lý làm việc mạch tạo dao động dúng sơ đồ khối hình 1, (1) khối khuyếch đại (2) khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu giả thiết a K a’ Hình 2.2.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp Vậy tín hiệu vào mạch khuếch đại X v tín hiệu mạch hồi tiếp Xr biên độ pha nên nối đầu a a’ với mà tín hiệu không thay đổi Lúc ta có sơ đồ mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp Rõ ràng, sơ đồ này, có dao động mà tần số thỏa mãn điều kiện sau: K.Kht = (1) Vì K Kht số phức, nên (1) viết lại sau: Trong đó: K – modun hệ số khuếch đại Kht – modun hệ số hồi tiếp – góc pha khuếch đại – góc pha hồi tiếp Có thể tách biểu thức (2) thành hai biểu thức, biểu thức viết theo modun (3a) biểu thức viết theo pha (3b): K.Kht = với n = 0, (3a) (3b) – tổng dịch pha khuếch đại mạch hồi tiếp, biểu thị dịch pha tín hiệu mạch hồi tiếp X’- tín hiệu vào ban đầu Xv Quan hệ (3a) gọi điều kiện cân biên độ Nó cho thấy: mạch dao động hệ số khuếch đại khuếch đại bù tổn hao mạch hồi tiếp gây Còn điều kiện cân pha (3b) cho thấy dao động phát sinh tín hiệu hổi tiếp đồng pha với tín hiệu vào Để minh họa ta xét mạch tạo dao dộng hình sau: Bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ thuận có hệ số khuếch đại: Vì trở kháng khuếch đại nhỏ, nên mạch thêm điện trở R để giảm ảnh hưởng trở kháng đến trở kháng khung cộng hưởng LC Điện áp hồi tiếp khuếch đại: Trong đó: M - hệ số hỗ cảm cuộn dây L – điện cảm khung dao động Điện áp khuếch đại: (5) Để xác định điện áp ra, viết phương trình dòng điện nút 1: Thay (4) (5) vào (6) biến đổi ta (7): Để đơn giản, ta đặt: Do (7) viết lại sau: Nghiệm phương trình vi phân (8) Ta phân biệt ba trường hợp: 1) , nghĩa , biên độ điện áp suy giảm dần theo hàm số mũ Dao động tắt dần 2) , nghĩa , điện áp điện áp hình sin có tần số biên độ không đổi 3) , nghĩa , biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ Từ trường hợp đây, ta rút kết luận: để có dao động đóng mạch phải lớn làm cho biên độ dao động tăng dần khuếch đại chuyển sang làm việc trạng thái bão hòa, hệ số khuếch đại giảm dần cho Lúc có dao động ra, hình sin Để có dao động điều hòa hình sin cần phải điều chỉnh hệ số khuếch đại cho xác lập trước khuếch đại chuyển sang làm việc trạng thái bão hòa Từ phân tích trên, ta rút đặc điểm sau mạch dao động: - - Mạch tạo dao động mạch khuếch đại, mạch khuếch đại tự điều khiển hồi tiếp dương từ đầu đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp chiều Muốn có dao động, mạch phải có kết cấu thỏa mãn điều kiện cân biên độ (3a) cân pha (3b) Mạch phải chứa phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi lượng chiều thành xoay chiều Mạch phải chứa phần tử phi tuyến hay khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi trạng thái xác lập () 2.2 Ổn định biên độ dao động tần số dao động 2.2.1 Ổn định biên độ dao động Khi đóng mạch, điều kiện cân pha (3b) thỏa mãn tần số đó, đồng thời mạch phát sinh dao động tần số Ta nói mạch trạng thái độ Ở trạng thái xác lập, biên độ không đổi ứng với Để đảm bảo ổn định biện độ trạng thái xác lập, thực biện pháp sau: 10 Hình 2.3.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động ba điểm Mạch tạo dao động ba điểm gồm hai khối chính: khối khuếch đại khối hồi tiếp Với ba điểm: Điểm điểm đầu ra, điểm điểm hồi tiếp, điểm điểm nối đất Khối khuếch đại dùng transistor mạch khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại K góc lệch pha tín hiệu tín hiệu vào 0 1800 Khối hồi tiếp với hệ số hồi tiếp K ht góc lệch pha Uht Ur mạch hồi tiếp, khối gồm ba phần tử điện kháng (L C), với ba phần tử tạo góc pha 00 1800 Đối với mạch tạo dao động, để mạch mạch tạo dao động phải thỏa mãn điều kiện hồi tiếp dương điều kiện để mạch tạo dao động với biên độ không đổi + Về điều kiện biên độ không đổi: + Điều kiện hồi tiếp dương: 13 |K|.|Kht| = CHƯƠNG III: MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS Khái niệm Mạch tạo dao động Colpitts mạch tạo dao động ba điểm LC (mạch tạo dao động ba điểm điện dung), muốn mạch tạo dao động phải thỏa mãn điều kiện mạch dao động Về điều kiện biên độ không đổi: |K|.|Kht| = Điều kiện hồi tiếp dương: Nguyên tắc thiết lập mạch tạo dao động ba điểm điện dung +Trường hợp 1: Mạch dao động ba điểm điện dung với mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại K có |K|>1 Ta có sơ đồ trường hợp sau: Uv Bộ khuếch đại Ur C2 L1 Uht C3 Hình 3.2.1 Mạch tạo dao động ba điểm điện dung trường hợp mạch khuếch đại có góc lệch pha Xét điều kiện để mạch tạo dao động: Điều kiện hồi tiếp dương, có = 180 = 1800 nên đảm bảo điều kiện hồi tiếp dương Điều kiện biên độ: |K|.|Kht| = Ta có 14 Do đó, ta có điều kiện: C3 > C2 Tần số dao động mạch tần số dao động mạch cộng hưởng ta có tần số: Mạch tạo dao động ba điểm điện dung với mạch khuếch đại dung transistor BJT mắc theo kiểu E chung Hình 3.2.2 Sơ đồ mạch ba điểm điện dung mắc theo kiểu E chung Đối với trường hợp khác tương tự + Trường hợp khối khuếch đại |K| > 1, = 00 Sơ đồ mắc theo kiểu B chung mạch khuếch đại thuật toán thuận, đồng thời đổi vị trí (2) (3) cho sơ đồ hình 3.2.1 + Trường hợp khối khuếch đại |K| < 1, = 0 Sơ đồ mắc theo kiểu C chung mạch khuếch đại thuật toán thuận, lúc đổi vị trí (1) vi trí (2) với sơ đồ hình 3.2.1 Phương pháp tính toán mạch dao động Có nhiều phương pháp để tính toán mạch tạo dao động Ở ta xét phương pháp thông dụng nhất, tính toán mạch dao động theo phương pháp khuếch đại có hồi tiếp 15 Nội dung phương pháp xuất phát từ điều kiện cân biên độ (3a) Điều kiện cân pha (3.b) không cần quan tâm đến, điều kiện kết cấu mạch đảm nhiệm Khi tính toán phải vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K hệ số hổi tiếp buộc tích chúng 1, từ suy thông số cần thiết mạch *Để minh họa, ta lấy ví dụ sau: Ví dụ: Tính điều kiện tự dao động mạch ba điểm điện dung ( mạch Colpitt) dùng transistor hình sau: Giải: Trước hết chấp nhận mạch ba điểm điện dung thỏa mãn điều kiện cân pha, ta tính điêu kiện cân biên độ mạch: + Bước 1: Tính hệ số khuếch đại K: Hệ số khuếch đại mạch emito chung Trong mạch điện trên, trở kháng colecto đất phần trở kháng khung cộng hưởng, xác định sau: 16 Trong đó:- P hệ số ghép transistor với khung cộng hưởng - - trở kháng khung cộng hưởng tần số cộng hưởng L - điện cảm khung cộng hưởng C - điện dung khung cộng hưởng r - điện trở tổn hao khung cộng hưởng trở kháng vào phản ảnh sang nhánh colecto-emito, giả thiết ta có: n- Hệ số phản ánh Thay (14), (15) (17) vào (13) xác định được: + Bước 2: Xác định hệ số hổi tiếp (20): + Bước 3: Tính tích + Bước 4: Xác định điều kiện dao động mạch: (22) Thay (21) vào (22) biến đổi, tìm được: Trong biểu thức (23) dấu “=” ứng với trường hợp dao động xác lập, dấu “Ω 20 1.2 Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpits dùng BJT Hình Mạch tương đương xoay chiều Chuyển đổi nguồn dòng thành nguồn áp với Dòng tổng từ nguồn: Thay ta có: 21 Qua bước rút gọn ta có: Ta lại có: Thay vào (1) ta có: Thay , ta có: Do số thực nên phần ảo 0, đó: Tần số mạch dao động: Vậy ta có: C4 > C3 điều kiện mạch dao động Để tạo mạch dao động này, ta dùng Transistor BC107 có thông số sau: VCC = 12V; VCE = 5.64V; VBE = 0.7V; IC = 1mA; IE = 2mA; Bước 1: Áp dụng công thức đầu khuếch đại: VCC = ICR3 + VCE + IER4 Giả sử: (*) R4 = 1kΩ Từ công thức (*), ta có R3 = 4.36kΩ Bước 2: Ta lại có: VB = VCC*R2/(R1+R2) Mặt khác: VB = VBE + IER4 = 2.06V 22 (**) Giả sử: R2 = 10kΩ Từ công thức (**), ta có: R1 = 48kΩ XC5 0.1R4 = 68Ω C5 1.6 Suy ra: Chọn C5 = 2.2 Bước 3: Tần số dao động Chọn L =5mH => C = Bước 4: Điều kiện mạch dao động C4 > C3 Suy chọn: C4 = 4.7 => C3 = 0.22 Chọn C1 =C2 = 22 Mô mạch dao động Colpits với tần số dao động 5kHz Mô mạch dao động Colpits dùng BJT protius BJT 107, R2 = 10kΩ, R1 = 48kΩ, R3 = 4.36kΩ, R4 = 1kΩ, C1 = C2 = 22, L =5mH, C3 = 0.22, C4 = 4.7, C Sơ đồ mạch Colpitts: 23 Dạng sóng đo đầu ra: Từ ta có mạch in: 24 25 Nhận xét giáo viên …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… 26 Tài liệu tham khảo 1) Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự II – Hoàng Thị Tuyên 2) Và số tài liệu mạng thư viện Hình ảnh sơ đồ báo cáo 27 [...]... qua tần số dao động của mạch : 18 Chương IV: Thiết kế mạch dao động Colpitts với tấn số dao động 5KHz 1 Mạch tạo dao động Colpitts với tần số dao động 5KHz Theo đề bài chúng ta thiết kế mạch colpitts với tần số Mạch dao động colpitts Ta có X1 + X 2 + X 3 = 0 ; ; Suy ra: Tần số dao động của mạch: 1.1 Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpits dung bộ khuếch đại thuật toán Mạch LC Hệ số khuếch đại cả mạch. .. CHƯƠNG III: MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS 1 Khái niệm Mạch tạo dao động Colpitts là mạch tạo dao động ba điểm LC (mạch tạo dao động ba điểm điện dung), muốn mạch tạo dao động phải thỏa mãn điều kiện của mạch dao động Về điều kiện biên độ không đổi: |K|.|Kht| = 1 Điều kiện về hồi tiếp dương: 2 Nguyên tắc thiết lập mạch tạo dao động ba điểm điện dung +Trường hợp 1: Mạch dao động ba điểm điện dung với mạch khuếch... có điều kiện: C3 > C2 Tần số dao động của mạch chính là tần số dao động của mạch cộng hưởng ta có tần số: Mạch tạo dao động ba điểm điện dung với mạch khuếch đại dung transistor BJT mắc theo kiểu E chung Hình 3.2.2 Sơ đồ mạch ba điểm điện dung mắc theo kiểu E chung Đối với trường hợp khác cũng tương tự + Trường hợp 2 khối khuếch đại |K| > 1, = 00 Sơ đồ mắc theo kiểu B chung hoặc mạch khuếch đại thuật... tham số dm của mạch khuếch đại đều ra tầng tạo dao động: - Dùng nguồn ổn áp - Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ - Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động bằng cách mắc thêm tầng đệm ở đầu ra tầng dao động - Dùng các linh kiện có sai số nhỏ - Dùng các phần tử ổn nhiệt + Thực hiện các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số của mạch, nghĩa là và bằng cách chọn mạch tạo dao động. .. Suy ra: Chọn C5 = 2.2 Bước 3: Tần số dao động Chọn L =5mH => C = Bước 4: Điều kiện của mạch dao động C4 > C3 Suy ra chọn: C4 = 4.7 => C3 = 0.22 Chọn C1 =C2 = 22 2 Mô phỏng mạch dao động Colpits với tần số dao động 5kHz Mô phỏng mạch dao động Colpits dùng BJT bằng protius BJT 107, R2 = 10kΩ, R1 = 48kΩ, R3 = 4.36kΩ, R4 = 1kΩ, C1 = C2 = 22, L =5mH, C3 = 0.22, C4 = 4.7, C Sơ đồ mạch Colpitts: 23 Dạng sóng... hiệu vào là bằng 0 0 hoặc 1800 Khối hồi tiếp với hệ số hồi tiếp K ht và góc lệch pha giữa Uht và Ur của mạch hồi tiếp, khối này gồm ba phần tử điện kháng (L hoặc C), với ba phần tử này có thể tạo góc pha bằng 00 hoặc 1800 Đối với mạch tạo dao động, để mạch mạch tạo được dao động thì phải thỏa mãn điều kiện hồi tiếp dương và điều kiện để mạch tạo dao động với biên độ không đổi + Về điều kiện biên độ... điều kiện mạch dao động là: 19 Sử dụng Opamp 741 Bước 1: Tần số dao động: Chọn => Bước 2: Từ điều kiện của mạch dao động: Chọn => Suy ra: chọn Ω =>Ω 20 1.2 Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpits dùng BJT Hình Mạch tương đương xoay chiều Chuyển đổi nguồn dòng thành nguồn áp với Dòng tổng từ nguồn: Thay ta có: 21 Qua các bước rút gọn ta có: Ta lại có: Thay vào (1) ta có: Thay , ta có: Do là số thực... các mạch khác nhau + Bước 5: Xác định hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch tạo dao động được: 17 Thường n